汎用I/Oの構造はどうなっているの？ 使い方は？：Q&Aで学ぶマイコン講座（39）（2/3 ページ）
マイコンユーザーのさまざまな疑問に対し、マイコンメーカーのエンジニアがお答えしていく本連載。今回は、初心者の方からよく質問される「汎用I/Oの構造と使い方？」についてです。
保護回路部
端子を入ってすぐのところには、保護回路用のダイオードが付いています。これは、EOS（Electrical Over Stress）やESD（Electro Static Discharge）＊）からマイコンを守るためのものです。一般的には、正電位の高電圧ノイズが入った場合は電源電圧側へ、負電位の場合は、GND側へノイズを逃がす方向にダイオードが付けられています。
しかし、最近のマイコン（STマイクロエレクトロニクスの32ビットマイコン「STM32ファミリ」など）の汎用I/Oには、5V耐圧の端子があって、電源電圧を3V近辺で使用しても、端子には5Vを印加できます。この場合、図1に記載している保護ダイオードでは、端子の5V電源から、マイコンの3V電源に電流が流れてしまいます。そこで、5V耐圧端子の保護ダイオードは一般的な保護回路とは異なる方式を採用しています。具体的な方式は、各マイコンメーカーで異なる上に、社外秘にされているので詳しく説明できませんが、電源側の保護ダイオードを、端子に5V以上が印加されるまではオフのままにしておき、5V以上のノイズ電圧が印加された場合にオンにすることで、電源またはGNDに逃がして端子を保護します。
＊）参考記事：Q&Aで学ぶマイコン講座（38）：ESDとEOSの違いと対策法
プルアップ/ダウン抵抗含む
図1では、内蔵のプルアップ／プルダウン抵抗を、スイッチと抵抗の等価回路で記述しましたが、実際はプルアップ抵抗にはPMOS、プルダウン抵抗にはNMOSを使います（図2参照）。どちらのMOSもオン抵抗が数百から数十オームになるような特性に設計しておけば、オンオフのできる抵抗がMOS単体で実現できます。
入力回路部
端子から入ってきた信号はアナログ信号（A-Dコンバーターやオペアンプの入力など）とデジタル信号（CPUと周辺機能用）で、経路が分かれます。（図2参照）
①アナログ入力信号
アナログ入力信号は主にA-Dコンバーターやオペアンプやコンパレーターの入力端子として使用する場合です。途中でデジタル回路が入ると、電圧が変わってしまうので、端子から直接アナログ回路へ入ります。
②デジタル入力信号
デジタル信号は、入力バッファ経由で、CPUまたは周辺機能の入力データレジスタへ入るか、直接、周辺機能へ入ります。
入力バッファは、シュミットトリガータイプのインバーターで記述しましたが、本連載第5回の「未使用GPIO（汎用I/O）の処理はどうすれば良いの？」で述べたように、いろいろな種類の入力バッファがあります（図3）。また、必ずしもシュミットトリガー特性を持っているとは限りません。実際の入力バッファについては、各マイコンのマニュアルなどを参照してください。
入力バッファを通った後の信号は、CPUと周辺機能の2つの経路に分かれます。端子を周辺機能の端子として使っている場合は、周辺機能に入ります。
CPUが信号を汎用I/Oの入力データとして読み込む場合は、いったんレジスタ（汎用I/Oデータレジスタ）で保持されます。そのレジスタは、データバス経由で読むことができます。
周辺機能へ行く信号は、周辺機能によって保持される方式が変わります。USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter）やSPI（Serial Peripheral Interface）などの通信機能の場合、信号は入力データバッファレジスタなどのレジスタで一度保持され、処理されます。また、タイマーの入力キャプチャー信号などは、エッジのタイミングが変わらないように、そのままカウンターの値をキャプチャーするトリガー信号として使われます。
図4にSTM32ファミリのSPIの入力信号の経路を示します。ここでは、入力データを受け取る入力レジスタはシフトレジスタになります。
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